Истраживачи и научници са Московског института за физику и технологију и Универзитета ИТМО представљају начин за повећање ефикасности бежичног преноса снаге на велике даљине.
Тим истраживача са МИПТ-а и Универзитета ИТМО тестирао је нумеричком симулацијом и експериментима. Да би то постигли, преносили су снагу између две антене. Као резултат, један од њих био је узбуђен сигналом који се шири уназад специфичне амплитуде и фазе.
„Појам кохерентног апсорбера представљен је у раду објављеном 2010. Аутори су показали да се интерференција таласа може користити за контролу апсорпције светлости и електромагнетног зрачења уопште“, подсећа студент МИПТ-а Денис Баранов.
"Одлучили смо да сазнамо могу ли се и други процеси, попут ширења електромагнетних таласа, моћи контролисати на исти начин. Одлучили смо да радимо са антеном за бежични пренос снаге, јер би овај систем имао огромну корист од те технологије", каже он. "Па, били смо прилично изненађени када смо сазнали да се пренос снаге заиста може побољшати преношењем дела примљене снаге из батерије за пуњење назад на пријемну антену."
Бежични пренос енергије првобитно предложио Никола Тесла у 19. -ог века. Користио је принцип електромагнетне индукције, као што знамо да Фарадаи-ов закон каже да ако се други калем постави у магнетно поље првог калема, он индукује електричну струју у другом калему, што се може користити за различите примене.
Фигура. 1. Испрекидане линије магнетних поља око два индукциона калема илуструју принцип електромагнетне индукције
У данашње време, ако говоримо о опсегу бежичног преноса, тачно значи на врху пуњача. Проблем је у томе што је јачина магнетног поља које ствара завојница у пуњачу обрнуто пропорционална удаљености од њега. Због тога бежични пренос ради само на растојању мањем од 3-5 центиметара. Као решење за то, повећавање величине једне завојнице или струје у њој, али то значи за јаче магнетно поље које је потенцијално штетно за људе око уређаја. Такође, постоје неке земље које имају законска ограничења снаге зрачења. Као и у Русији, густина зрачења не би требало да прелази 10 микровата по квадратном центиметру око ћелијског торња.
Пренос снаге кроз ваздушни медијум
Бежични пренос снаге могућ је различитим методама попут преноса енергије са далеког поља, снопа снаге и употребе две антене, од којих једна шаље енергију у облику електромагнетних таласа другој која даље претвара зрачење у електричне струје. Преносна антена се не може знатно побољшати, јер у основи само генерише таласе. Пријемна антена има много више подручја за побољшање. Не апсорбује све упадно зрачење, али је зрачио део леђа. Генерално, одзив антене одређују два кључна параметра: време распадања τФ и τв у зрачење слободног простора, односно у електрични круг. Однос између ове две вредности дефинише колико енергије пријемни талас „извлачи“ пријемна антена.
Слика 2. Пријемна антена. СФ означава упадно зрачење, док је св− енергија која на крају прелази у електрични круг, а св + је помоћни сигнал. Заслуге: Алек Краснок и други. / Пхисицал Ревиев Леттерс
Међутим, пријемник преноси помоћни сигнал натраг на антену и фаза и амплитуда сигнала се подударају са сигналима упадног таласа, те две ће ометати, потенцијално мењајући удео екстраховане енергије. О овој конфигурацији говори се у раду који је објављен у овој причи, чији је аутор МИПТ-ов тим истраживача Дениса Баранова, а коју је водила Андреа Алу.
Искоришћавање сметњи за појачавање таласа
Пре него што су применили предложену конфигурацију преноса снаге у експерименту, физичари су теоретски проценили која побољшања на редовној пасивној антени она може да понуди. Испоставило се да ако је услов за подударање коњугата у првом реду задовољен, нема никаквих побољшања: Антена је за почетак савршено подешена. Међутим, за детунирану антену чија се времена распадања значајно разликују - односно када је τФ неколико пута већа од τв, или обрнуто - помоћни сигнал има приметан ефекат. У зависности од фазе и амплитуде, удео апсорбоване енергије може бити неколико пута већи у поређењу са истом антеном у пасивном режиму. У ствари, количина апсорбоване енергије може да достигне онолико колико је подешена антена (види слику 3).
Слика 3. Графикон у (а) приказује како разлика између примљене и потрошене снаге, познате као енергетски биланс Σ, зависи од снаге помоћног сигнала за детунирану антену са τв 10 пута већим од τФ. Наранчасто осенчено подручје покрива опсег могућих фазних померања између упадног таласа и сигнала. Испрекидана линија представља исту зависност за антену чији су параметри τФ и τв једнаки - то јест, подешена антена. Графикон (б) приказује фактор побољшања - однос између максималног енергетског биланса Σ и енергетског биланса пасивне детуниране антене - у функцији односа између времена пропадања антене τФ / τв. Заслуге: Алек Краснок и други. / Пхисицал Ревиев Леттерс
Да би потврдили своје теоријске прорачуне, истраживачи су нумерички моделирали 5-центиметарску диполну антену повезану са извором напајања и озрачивали је таласима од 1,36 гигахерца. За ову поставку, зависност енергетског биланса од фазе и амплитуде сигнала (слика 4) углавном се поклапала са теоријским предвиђањима. Занимљиво је да је равнотежа максимизирана за нулти фазни помак између сигнала и упадног таласа. Објашњење које су понудили истраживачи је следеће: У презентацији помоћног сигнала ефективни отвор антене је побољшан, тако да сакупља више енергије ширења у кабл. Ово повећање отвора очигледно је из Поинтинг-овог вектора око антене, који указује на смер преноса енергије електромагнетног зрачења (види слику 5).
Слика 4. Резултати нумеричких прорачуна за различите фазне помаке између упадног таласа и сигнала (упоредити слику 3а). Заслуге: Алек Краснок и други. / Пхисицал Ревиев Леттерс
Слика 5. Расподела вектора поинтинга око антене за нулти фазни помак (лево) и фазни помак од 180 степени (десно). Заслуге: Алек Краснок и други. / Пхисицал Ревиев Леттерс
Поред нумеричких симулација, тим је извео експеримент са два коаксијална адаптера, која су служила као микроталасне антене и била су позиционирана на размаку од 10 центиметара. Један од адаптера зрачио је таласима снаге око 1 миливат, а други је покушао да их покупи и пренесе енергију у коло кроз коаксијални кабл. Када је фреквенција подешена на 8 гигахерца, адаптери су радили као подешене антене, преносећи снагу практично без губитака (слика 6а). На нижим фреквенцијама, међутим, амплитуда рефлектованог зрачења нагло се повећала, а адаптери су више функционисали као детуниране антене (слика 6б). У другом случају, истраживачи су успели да повећају количину пренете енергије готово десетоструко уз помоћ помоћних сигнала.
Слика 6. Експериментално измерена зависност енергетског биланса од фазног помака и снаге сигнала за подешену (а) и умањену (б) антену. Заслуге: Алек Краснок и други. / Пхисицал Ревиев Леттерс
У новембру је тим истраживача, укључујући Дениса Баранова, теоретски показао да се може направити прозирни материјал који апсорбује већину упадне светлости ако долазни импулс светлости има праве параметре (тачније, амплитуда мора експоненцијално да расте). Још 2016. године физичари са МИПТ-а, Универзитета ИТМО и Универзитета Тексас у Аустину развили су нано-антене које расипају светлост у различитим правцима у зависности од њеног интензитета. Они се могу користити за стварање канала за брзи пренос и обраду података.
Извор вести: МИПТ